轻质Si_Al电子封装材料制备工艺的研究.pdf

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1、轻质 Si?Al 电子封装材料制备工艺的研究蔡 杨*?郑子樵?李世晨?冯 曦(中南大学材料科学与工程学院,长沙?410083)摘?要:?探讨采用传统粉末冶金方法制备轻质、高性能 Si?50%Al(质量分数,下同)电子封装材料的可能性。研究了粉末粒度组成、压制压力、烧结温度对材料室温导热性和室温到 200?间热膨胀系数的影响。发现采用一定的粉末粒度组成,高压制压力、高温和适当的时间烧结能够获得综合性能较好的 Si?Al 复合材料。关键词:?硅铝电子封装材料;粉末冶金;热导率;热膨胀系数The technique and mechanism to fabricatelightweight Si?A

2、l composites for electronic packagingCai Yang,Zheng Ziqiao,Li Shichen,Feng Xi(School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:Traditional powder metallurgy method was applied scucessfully to fabricate lightweight,high performanceSi?50wt%Al composit

3、es which used as electronic package material for thermal sink?The influences of process pa?rameters such as powder size,compacting pressures and sintering temperature on thermalconductivity(TC)and co?efficient of thermal expansion(CTE)of Si?Al composites were examined through this study?It indicates

4、 that propercomposition of particle size,high compacting pressure,high temperature and proper sintering time can scucessfullyget the Si?Al composites with good properties?Key words:Si?Al composites for electronic packaging;powder metallurgy;thermal conductivity;coefficient of ther?mal expansion*蔡杨,2

5、4 岁,硕士,主要从事功能复合材料研究。E?mail:Edwardscai 163?net收稿日期:2002-12-291?前言随着现代先进微波和集成电路技术的迅猛发展,电子封装对系统性能的影响已变得越来越重要。据估计,限制目前芯片性能的因素中,30%与采用的电子封装材料有关。新型电子封装材料的发展已得到愈来愈多的关注。有效的散热和热匹配是对电子封装材料最为关键的要求。通常认为,温度每升高18?,半导体器件失效的可能性就增加 2 3 倍1;由芯片和承载基片热膨胀行为不匹配而产生的热应力可导致封装失败,使系统失效。此外,产品微型化和轻型化的必然发展趋势要求电子封装材料的密度尽可能的小2。目前常用

6、的电子封装材料已不能完全满足以上对理想电子封装材料的苛刻要求。Kovar 和 Al2O3的热膨胀系数能与 Si、GaAs 匹配,但热导率太小;W?Cu 密度太大;Al?SiC 和 AlN 又存在加工、电镀性能差的问题 3,4。在这种情况下,新型 Si?Al 电子封装材料因其质量轻(3 103kg/m3),热导率优良,能与 GaAs 匹配的低膨胀系数,无污染环境,原材料的制备工艺成熟,成本低廉等特点成为人们关注的重点。日本、美国、英国先后在这个领域展开了研究,通过不同的方法制备出 Si 含量 30%70%的Si?Al 复合材料,性能达到比较理想的水平 5,6,如英国 Osprey 公司生产的的

7、Si?50%Al 电子封装材料的热导率达到 140 W/m!K,热膨胀系数达到 11?0 10-6/K,密度达到 2?5 g/cm3;Si?30%Al 电子封装材料的热导率为 120 W/m!K,热膨胀系数为 6?8 10-6/K,密度为 2?4g/cm3。第 22卷第 3期2004 年 6 月?粉末冶金技术Powder Metallurgy Technology?Vol?22,No?3June?2004粉末冶金材料不受基体与第二相的限制,通过改变 Si 颗粒与金属粉末的粒度组成,可制备Si 含量较高且分布均匀的复合材料。本研究试用粉末冶金法开发 Si 含量较高的 Si?Al 电子封装材料,并

8、对制备机理、工艺、性能进行探讨。2?试验试验以 Si?50%Al 作为研究对象。采用市售平均粒度为 13?m 的纯 Al 粉和四种平均粒度分别为140?m、80?m、64?m、41?m 的 Si 粉。具体制备工艺流程为:混粉 压制 除气、烧结 机加工。用自制管式钼丝炉,在 700?、800?、900?、1000?下进行烧结,其间通入高纯氩气保护,以防 Si与空气中的氧气、氮气反应。机加工出的试样尺寸有两种,一种为?10mm (3 4)mm,在 JR-2 热物性测试仪上采用闪光法测定试样在常温下的热扩散系数,然后由热导率、热扩散率、密度、比定压热容之间的关系求得热导率,其公式如下7:=!cp式中

9、?!热扩散率,m2/s;?密度,kg/m3;?cp 比定压热容,J/(kg!K)。对于 Si?50%Al,cp=0?802J/(kg!K)。另一种为?5mm 20mm,在 TAS-100 上测定试样室温到200?的热膨胀系数。通过光学显微镜、SEM 及能谱等,对所制备出的复合材料中 Si 的分布,基体/Si界面结合情况等进行观察。3?试验结果及讨论3?1?不同粒度组成对密度的影响表 1 为五种不同粒度组成的 Si?50%Al 混合粉的松装密度、振实密度和孔隙度。表 1?不同粒度组成的 Si?50%Al 混合粉的性能粉末性能Si 粉的粒度组成/?m140140/64140/4180/4141松装

10、密度/(g!cm-3)0?8240?780?8480?7680?764振实密度/(g!cm-3)1?71?621?731?61?58孔隙度/%67?369?166?469?569?7?注:表 1 中粗细 Si 粉均是按质量比 6:4 进行混合;粉末体孔隙度是根据公式:#=1-松装/理论 8得出的?可以看出,当 Si 粉的粒度组成为 140/41 时,与Al 粉混合后测得的松装密度值和振实密度值均为最大,孔隙度最小,说明在此粒度组成下,较细小的Si 粉和 Al 粉能有效的填入较粗 Si 粉之间的空隙,有助于提高压坯和烧结体的密度。3?2?压制压力对材料密度及导热性能的影响对于粉末冶金产品来说,压

11、制压力越高,获得的密度也就越高。图 1 正是反映出了这一趋势。随着压制压力的增高,材料的密度明显上升,1200MPa压制后 的 压坯 密 度 比 480MPa 时 高 了 5?7%。1080MPa 和 1200MPa 压制样烧结后的密度达到2?5 g/cm3,相对密度为 99?8%。可见,加大压制压力对提高材料密度的贡献是显著的。如图 1 所示,当压制压力高于一定值以后,压坯密度的增幅逐渐变小,甚至于几乎没有改变。产生这种现象的主要原因在于粉末颗粒之间形成拱桥效应以及摩擦力等因素的作用使得粉体在较高压力下的变形抗力急剧增大。同时在高压力压制时,由于Si 粉的压缩性和流动性不好,在颗粒与颗粒之间

12、会产生很大的内应力,脱模时,以弹性后效方式释放,使压坯出现分层、开裂,而且由于将粉末压入模具中的缝隙,造成高压力压制后脱模十分困难。图 1?压制压力对试样密度的影响图 2 为不同压力压制的压坯经 1000?,2h 烧结169第 22 卷第 3 期?蔡 杨等:轻质 Si?Al电子封装材料制备工艺的研究后的热导率变化曲线。可见,在 900MPa 处,热导率达到了峰值(124?9 W/m!K)。在峰值点左侧,热导率的变化趋势与密度的变化趋势是相同的,表明较大的压力有利于减少材料内部的各种孔隙,使密度提高,这对材料的热导率是有利的。随着压力的进一步增加,使脆性 Si 粉内部产生很多微裂纹、甚至已经发生

13、解理,晶格缺陷导致热阻增加的效应明显大于密度提高而引起的提高热导的效应,因而总体上使热导率没有升高反而降低。图 2?压制压力对热导率的影响?因此,压制压力应相对较高(900MPa)为最佳,但过高的压力会使材料的热导性能下降。3?3?烧结工艺对材料导热性能的影响Si?Al 体系中,烧结致密化的过程主要是通过液态Al 充分填充Si 颗粒之间的孔隙而实现的。在没有外加压力的情况下,Al/Si 之间的润湿角就成为Al 液能否完全润湿第二相颗粒,进入孔隙的重要因素。一般来说,低温时Al/陶瓷相之间的润湿角为钝角,体系为非润湿体系,随着温度的升高,润湿角会逐渐变小,体系的润湿性改善9。本文借助差热分析来确

14、定烧结过程的相变温度。图 3 为压坯从室温到 1100?的DTA 曲线,其中存在三个较明显的峰值。第一个峰值出现在575?左右,这是Al?Si 共晶点。试样在升温和冷却过程中通过共晶点时,容易生成许多细小的树枝状共晶体,如SEM 照片和能谱(图 4)所示。如果不能迅速的升温和冷却,产生过多的针状共晶体,则易阻塞液态 Al 的流通通道,使得 Al 液难以充分润湿 Si颗粒。642?附近的第二个峰值为 Al 熔化的温度。在 972?左右出现的第三个较高的峰值是由于此温度下,铝液表面难以避免的氧化铝薄膜与铝液会发生Al2O3(s)+4Al(l)=3Al2O(g)10反应而导致氧化铝薄膜突然破裂。这层

15、氧化铝薄膜的存在阻碍了液固两相的直接接触,从而严重影响 Al/Si 的润湿性。破裂后Al/Si 之间的润湿角会陡然下降,体系实现由非润湿向润湿体系的转变。图 3?Si?50%Al 粉末压坯的 DTA 曲线图 4?Al?Si共晶物的 SEM 照片和能谱图(左图中箭头所指为树枝状共晶物)?图 5 为不同烧结工艺下试样的金相照片。可以明显的看出,700?时材料内部的孔隙非常明显,Al基本上没有润湿 Si 颗粒,也没有充分填充到孔隙中去。而且此时材料内的非润湿界面结合强度很低,大量的 Si 颗粒易于脱落,使得出现大面积的黑色区域。900?时,Al 液已经开始进入 Si 颗粒之间的孔隙,并有一定的润湿行

16、为,但仍然存在较多的孔洞。当温度升至 1000?,高于非润湿向润湿的转变温度170粉末冶金技术?2004年 6月后,Si 颗粒之间的空隙基本上都被 Al 所填充,Al 基体能形成一个比较完整的连通网状结构,这对于材料内部热量有效的传递,提高材料的导热性能来说是非常重要的。同时可以看出 1000?时材料内部绝大部分细小的 Si 颗粒都和其他颗粒烧结在一起而消失,只剩下了粗大的颗粒。显然材料内的界面总数大大减少,从而大大降低界面热阻,对提高材料的导热性能也是有利的。因此相同压力和烧结时间下,1000?烧结出的试样的热导率要比 900?的高20?1 W/(m!K)(如图 6 所示)。a 700?,2

17、h;b 900?,2h;c 1000?,1h;d 1000?,2h图 5?不同烧结工艺的金相组织?200图 6?材料热导率与烧结温度的变化关系?图 7 反映了不同的烧结时间对材料热导率的影响。可见烧结时间的延长有利于 Al 液更加充分的填充到孔隙中,提高热导率。但是从图 5c、图 5d 中可以看出,高温下 Si 粉的烧结形貌比较明显,已经有很多 Si 颗粒烧结到了一起,若继续提高烧结温度和延长烧结时间,Si 粉将可能发生团聚和偏析,阻断内部的 Al 连通结构,使得热导率的下降(如图 6和图 7 所示)。另外,在 1000?以上进行烧结时,试样变形比较大,液态 Al 由烧结体渗出较多,对材料性能

18、的稳定及后续加工造成不利的影响。图 7?材料热导率与烧结时间的变化关系?因此,较高的烧结温度(1000?)和较长的烧结时间(2h)能够获得导热性能较高,内部均匀的复合材料。171第 22 卷第 3 期?蔡 杨等:轻质 Si?Al电子封装材料制备工艺的研究3?4?制备工艺对材料的热膨胀性能的影响?表 2 为 Si?50%Al 的热膨胀系数。表 2?Si?50%Al的热膨胀系数烧结温度/?热膨胀系数/(10-6!K-1)室温50?100?150?200?9007?88?79?49?710?110008?38?79?510?010?3?室温下 Al 的热膨胀系数为 23?6 10-6/K,结合表 2

19、 中数据可以看出,低膨胀的 Si 大量加入,明显的降低了 Al 基体的膨胀。在其他条件相同的情况下,900?烧结后试样的热膨胀系数基本上都稍低于1000?烧结的试样,这说明,尽管 1000?下材料内部界面结合强度更大,有利于 Si 颗粒更好的抑制基体膨胀,降低热膨胀系数,但同时,1000?烧结后,Al 基体形成连通网状结构以及材料内部更大的残余应力对提高材料热膨胀系数的效果要更大一些。总之,制备工艺对 Si?Al 复合材料的热膨胀性能的影响不大,热膨胀系数仍主要取决于 Si 的体积分数。同时,通过对上述金相照片观察我们发现 Si颗粒有从 Al 基体上剥离的迹象,可见本试验所制备的 Si?Al

20、复合材料内部的界面结合方式应该还是以机械结合为主,结合强度不是很高,对降低热膨胀所起的作用不大。在保证较高导热性能的前提下,通过进一步提高 Si 含量、加入其他合金元素改善界面结合,提高界面结合强度是进一步降低热膨胀系数的主要途径。4?结论1)采用传统的粉末冶金方法完全可以制备出性能较好、Si 含量较高的 Si?Al 基电子封装材料。2)粗细粉末的一定配比和大压制压力有利于获得较高的致密度,但是过大的压力反而会使材料的性能下降,这主要与此时 Si 粉内部出现的很多微裂纹和缺陷有关。3)较高的烧结温度(超过体系非润湿向润湿转变温度)、较长的烧结时间有利于 Al 液对 Si 的浸润,以形成连通网,

21、从而获得内部组分分布均匀,孔隙度低,导热性能良好的复合材料。4)烧结工艺对 Si?Al 复合材料的热膨胀性能影响不是很大,材料的热膨胀性能主要取决于 Si 相的体积分数。5)Si 和Al 本身都具有良好的热学性能,调整两种元素的配比,可改变复合材料的性能。通过改进和优化工艺,以改善 Si/Al 界面润湿过程和控制界面结合,Si?Al 电子封装材料性能应有进一步提高的潜力,从而具有非常广阔的应用前景。致谢本文工作得到了李海博士大力支持,并得益于与他的多次探讨,对此谨向李海博士表示由衷的谢意。参考文献1?周贤良,吴江晖?电子封装用金属基复合材料的研究现状?南昌航空工业学院学报,2001,15(1)

22、:11 152?Jacobson D M?Spray?formed silicon?aluminum.Advanced Materials&Processes,2000,(3):36 393?Zweben C?Metal?matrix composites for electronic packaging.JOM,1992,44(7):15 224?黄强,顾明元.电子封装材料的研究现状,材料导报,2000,14(9):28 325?Ejiofor J U,Reddy R G.Developments in the processing and prop?erties of particulat

23、e Al?Si composites.,JOM,1997,49(11):31376?王敬欣,张永安?应用于电子封装的新型硅铝合金的研究与开发?材料导报,2001,15(6):18 207?桂立丰编?机械工程材料测试手册?沈阳:辽宁科学技术出版社,1996?9368?黄培云编?粉末冶金原理?北京:冶金工业出版社?1997?1311339?Ferro A C,Derby B?Wetting behaviour in the Al?Si/SiC system:interface reactions and solubility effects.Acta Metall?Mater,1995,43(8):3061 307310?Laurent V,Chatain D?Wettability of SiO2and oxidized SiC by alu?minum.Materials Science and Engineering A,1991,135(1-2):89 94172粉末冶金技术?2004年 6月